地铁直线段轮对横移量对轮轨磨耗的影响

利用轮轨型面测量仪对北京地铁六号线轮轨型面进行现场实测,采用样条曲线拟合方法获得并选取磨耗轮轨型面,利用有限元分析软件ABAQUS建立四组轮轨三维有限元模型,计算并分析了不同轮对横移量下轮轨间接触斑和最大等效应力分布状态,研究轮对横移量对直线段轮轨磨耗的影响,分析结果表明:地铁直线段不同轮对横移量下标准轮轨接触斑较规则,多数非标准轮轨接触斑呈"斑条"状,接触斑面积一般在轮对横移量-8、4和6 mm时较大;轮对横移量8 mm处,标准车轮与磨耗钢轨接触应力过大,钢轨轨距角处易产生应力集中,发生塑性变形;不同轮对横移量下磨耗车轮/标准钢轨匹配接触斑面积较大,最大等效应力较小,对减缓轮轨磨耗十分有利.     

小半径曲线钢轨非对称打磨廓形设计方法

为设计可提升列车小半径曲线通过性能的钢轨非对称打磨目标廓形，对中国现有CN60钢轨廓形进行了几何推导；以钢轨廓形几何参数作为设计变量，以车辆系统多体动力学指标作为综合目标函数，考虑钢轨打磨约束条件，提出了一种针对小半径曲线钢轨非对称打磨廓形的多目标数值优化模型；基于差分进化算法编写了相应的数值计算程序，并选择合理的计算参数求解了优化模型；根据实际线路参数分析了优化后钢轨打磨廓形的轮轨接触几何特性，并验证了列车的小半径曲线动力学性能。研究结果表明:提出的优化方法具有较快的计算速度，优化模型仅迭代了97次即可获得理想的钢轨打磨廓形；非对称打磨使内外钢轨具有差异性的打磨位置与打磨深度，将轮轨对中位置向轨道内侧移动了约10 mm，且不会改变轮缘处的轮轨匹配特性，有效增大了轮对横移10 mm范围内的轮对滚动圆半径差与轮轨接触角差，降低了列车在通过小半径曲线时的轮对横移、轮轨横向力、脱轨系数和轮重减载率，提高了转向架的横向稳定性和轮轨磨耗性能；虽然该打磨方式获得的钢轨廓形增大了轮轨接触应力，但并不会引起轮轨塑性变形。由此可见，该设计方法为提高列车的中小半径曲线通过能力提供了一种可行途径。      

轨距杆对重载铁路小半径曲线轮轨动力学性能影响

为探明轨距杆对重载铁路小半径曲线轮轨动力学性能影响，基于车辆-轨道耦合动力学理论，分析了机车以70 km/h的运行速度通过R300 m曲线时的轮轨动态相互作用和轮轨磨耗，系统对比分析了运行速度、曲线半径和轨距杆对机车通过小半径曲线时钢轨跨中轨距动态扩大量和轮轨磨耗数，进一步研究了轨距杆的布置间距对线路横向稳定性的影响。仿真结果表明：轨距杆能够加强轨道轨距保持能力并减小曲线外侧钢轨翻转角；相比未安装轨距杆的曲线，安装了轨距杆的曲线其内侧钢轨的接触点更靠近曲线内侧；机车通过有无轨距杆的小半径曲线时的轮轨磨耗数和轨距动态扩大量均随着曲线半径减小和运行速度增大而增大；增大轨距杆布置密度可以有效增强线路轨距保持能力，当轨距杆布置间距由4个轨跨减小至3个轨跨时，轨距动态扩大量将降低36.3%。     

高速铁路磨耗车轮与60N钢轨静态接触分析

随着车辆的运行,车轮踏面会出现不同程度的磨耗,为研究磨耗状态下车轮与钢轨之间的静态匹配性能,利用轮轨接触几何关系和非赫兹滚动接触理论,计算不同磨耗程度的车轮对轮轨接触几何参数和接触力学特性的影响,并与CHN60钢轨的计算结果进行对比.分析结果表明:轮对横移小于4 mm时,车轮磨耗程度越大,车轮上接触点的横向分布宽度越大,60N钢轨的接触点横向分布宽度明显小于CHN60钢轨,对提高车辆运行稳定性有利;车轮磨耗程度越大,轮轨磨耗指数越大,60N钢轨的轮轨磨耗指数较小,有利于轮轨廓形的保持能力.车轮磨耗程度越大,位于表面滚动接触疲劳区的范围越大,相比CHN60钢轨,60N钢轨位于表面滚动接触疲劳区的情况较少,相同条件下,能够减少轮轨滚动接触疲劳伤损的发生.      

过度磨耗钢轨的打磨廓形设计方法

针对过度磨耗钢轨的打磨，提出一种以圆弧切点为关键参数的钢轨廓形设计方法；以轮轨接触位置为优化区域，以钢轨磨耗和打磨材料去除量作为优化目标函数，以廓形边界范围、凹凸性、脱轨系数和轮轨横向力为约束条件，建立磨耗钢轨打磨设计廓形多目标函数；集成多元模拟退火寻优算法进行求解；为了得到能代表重载线路曲线区段的钢轨廓形，作为优化的输入数据，采用最小二乘距离算法、算术平均算法、加权平均算法和散点重构算法得出4种钢轨代表廓形；使用Pearson相关系数、Kendall秩相关系数和Spearman秩相关系数计算出4种算法的钢轨代表廓形与实测廓形接触点概率分布曲线的相关性，取相关性最高的代表廓形为等效重载线路曲线区段的实际廓形；对某重载线路过度磨耗钢轨的经济性打磨廓形以及采用圆弧型廓形设计方法的优化廓形进行分析。分析结果表明:优化廓形与现场打磨廓形相较，截面廓形磨削量减少69.56 mm2，下降64.98%，脱轨系数小幅增大，轮轨横向力基本不变，轮对横移变化较小，曲线通过性能相近，80万次通过量下的磨耗面积增加2.19 mm2，钢轨的磨耗速率略微增大，整体仍延长了钢轨寿命。      

不同钢轨廓形下高速铁路轮轨型面匹配

为了分析不同钢轨廓形对我国高速铁路轮轨型面匹配的影响,针对高速铁路线路上使用的CHN60、60N和60D钢轨廓形,基于经典迹线法、三维非赫兹滚动接触理论及车辆-轨道耦合动力学,分别研究了不同钢轨廓形与高速车轮LMA型面匹配时的轮轨接触特性和车辆动力学性能.研究结果表明:不同钢轨廓形下,轮轨接触几何关系有较明显的差异;在不同轮对横移量下,CHN60钢轨的轮轨接触应力比另外两种钢轨廓形小;当轮对横移量为6 mm时,CHN60钢轨对应的轮轨接触状态最优,其接触斑面积最大,且接触应力分布较为均匀;不同钢轨廓形对车辆的临界速度及曲线通过能力影响较大,60D钢轨与LMA型面匹配时车辆的临界速度约为763 km/h,为三者中最高,但CHN60钢轨与LMa型面匹配时车辆的曲线通过性能最好,相应的轮轨横向力最大值3.584 k N,轮对横移量最大值3.35 mm,是三者中最小.     

轮对等效锥度与车辆动态特性关系分析

为了分析轮对等效锥度对车辆动力学性能的影响,采用设计不同等效锥度磨耗型踏面和锥形踏面的方法,通过轮轨接触和车辆动力学计算,分析了等效锥度对车辆临界速度和曲线通过性能的影响.结果表明,车辆临界速度并不严格地与等效锥度平方根成反比,而是存在临界速度较高的小等效锥度区域,太小、太大的等效锥度均会导致临界速度迅速降低.等效锥度随轮对横移的增大而增大有利于提高曲线通过性能,并可缓解轮缘磨耗.因此,在轮对小幅横移时等效锥度可以取较小值,并随轮对横移量的增大而增大,可兼顾车辆临界速度与曲线通过性能的要求.     

动车车轮与曲线钢轨磨耗问题研究

针对高速动车通过曲线时轮轨磨耗问题,利用现场实际测量的不同磨耗阶段动车车轮型面,建立高速列车通过曲线的多体动力学模型和曲线段轮轨接触的有限元模型,计算了不同磨耗程度车轮通过曲线时的磨耗功率、垂向、横向动载荷变化规律,并且对比了动载荷和理论载荷下轮轨间接触等效应力.分析结果表明:动车通过曲线时轮轨间的磨耗功率、横向力和横向蠕滑力等参数都随着车轮型面磨耗程度的增大而增大;标准型面到踏面磨耗量达到0.54 mm的过程为剧烈磨耗阶段,踏面磨耗量由0.54 mm增加到1.5 mm过程过为磨耗稳定期;可以根据磨耗Ⅰ型面对车轮型面进行优化,从而延长动车车轮的稳定磨耗阶段.     

车轮型面位置偏移对车辆动力学性能的影响

为了分析LMA车轮型面位置偏移对车辆动力学性能的影响,设计不同型面位置偏移量的车轮,通过轮轨接触分析和车辆动力学计算,分析了车轮型面位置偏移对轮轨几何接触特性、车辆临界速度和曲线通过性能的影响.结果表明,较小的偏移量对临界速度影响不大,当偏移量达到1.75 mm后临界速度急剧下降.以均衡速度通过曲线时,型面偏移量的增大对轮轨横向力的影响不大,但会使轮对横移量的最大值显著增大.与反相偏移相比,同相偏移对车辆在直线上的临界速度及曲线上的横移量影响更大.因此,车轮型面位置偏移对车辆动力学性能有较大影响,应当避免发生,LMA车轮型面偏移量最大不得超过1.75 mm.     

钢轨打磨对地铁车辆动力学性能的影响

通过现场测试沈阳地铁某区间打磨作业现场打磨前后钢轨型面数据,将钢轨型面数据导入到SIMPACK软件中,还搜集到了国内关于打磨车作业标准中关于打磨后钢轨型面的数据.并且建立了车辆-轨道动力学模型,分别计算了打磨前后不同钢轨型面下车辆平稳性、轮对横移量、磨耗功率,结果表明:钢轨打磨可以提升车辆运行的平稳性,降低车轮磨耗功率,从而降低轮轨磨耗,延长钢轨使用寿命.     

钢轨磨耗型波磨计算模型与数值方法

分析了国内外铁路钢轨波浪形磨损理论模型,提出了车辆轨道垂、横向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨材料摩擦磨损模型为一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型,发展了相应的数值方法。模型中车辆结构和轨道下部结构被简化成等效的质量、弹簧和阻尼系统,钢轨用Euler梁代替,并考虑它的垂向、横向弯曲变形和扭转变形,利用修改的Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论和相应的数值方法计算轮轨蠕滑力和摩擦功,假设材料单位面积磨损量正比于轮轨接触面摩擦功密度。利用该模型和相应的数值方法分析了几个磨耗型波磨情况,结果表明该模型可以模拟轨道多种缺陷(轨缝、扁疤、凹坑、轨枕间距、随机不平顺等因素)引发的钢轨磨耗型初始波磨和发展规律,可以模拟由于钢轨在机械加工或打磨过程中形成的初始波磨的演化过程,可以通过改善轨道特性来消除或减少波磨的发生和发展。     

考虑尖轨变截面廓形的轮轨接触与磨耗分析

为研究尖轨变截面对曲尖轨轮轨接触行为和磨耗分布的影响,提出了一种适用于道岔区的三维非对称接触几何算法,该算法可计算车轮与曲尖轨间的真实法向间隙. 使用SIMPACK建立车辆-道岔多体动力学模型,获得仿真结果;利用考虑变截面的接触模型与英国谢菲尔大学提出的USFD磨耗模型计算曲尖轨磨耗. 研究结果表明:1） 以S1002CN车轮与12号道岔曲尖轨为例,轮对摇头角与尖轨变截面均会引起轮轨法向间隙沿接触斑纵向非对称分布,从而导致接触斑形状与应力沿接触斑纵向非对称分布;当摇头角为10 mrad,横移量为7.5 mm时,本文算法得到的接触斑面积比未考虑尖轨变截面和摇头角的简化算法所得结果大9.2%. 2） 以CRH3型车与12号曲尖轨道岔为研究对象,简化算法得到的最大磨耗深度为本文算法所得结果的0.75倍.      

山区客运专线曲线区段钢轨磨耗量的仿真分析

以山区客运专线钢轨磨耗量以及运营安全性作为研究对象,数值仿真作为手段,仿真计算基于Kalker线性蠕滑理论,借鉴Elkins磨耗指数模型,考虑轨道不平顺,车轮踏面与钢轨型面及弹性地基影响,使用SIMPACK软件建立动车组模型仿真,计算了蠕滑率和蠕滑力的大小,讨论了曲线半径对蠕滑率、钢轨磨耗量、减载率及脱轨系数的影响。比较了不同曲线下,两种踏面的动力学性能。随着圆曲线半径减半,LMa（高速动车组踏面）的左轨磨耗量增大了大约6倍左右。从磨耗量和安全性的角度对山区客运专线设计方法提出建议。     

地铁弹性短轨枕轨道的钢轨波磨萌生原因

为探明我国某地铁线路弹性短轨枕轨道曲线钢轨短波长波磨萌生原因，采用现场试验和数值仿真方法对其开展了研究. 首先，通过现场试验确定钢轨波磨波长与轨道动态特性对应关系；其次，利用车辆-轨道耦合动力学模型计算轮轨接触参量，通过力锤敲击法获得现场轨道导纳特性；最后，基于轮轨接触参量和轨道导纳结果，建立钢轨波磨频域线性分析的数值模型，模拟弹性短轨枕轨道频域下曲线钢轨磨损率特征，分析了弹性短轨枕轨道萌生特定波长波磨原因. 研究结果表明:地铁弹性短轨枕轨道钢轨波磨主要出现在半径小于等于800 m曲线段，低轨波磨程度更为显著，波长为50～160 mm，通过频率为140～280 Hz；轨道在160～210 Hz频率范围的模态振型表现为钢轨和轨枕一起相对轨道板垂向弯曲振动，在250～300 Hz频率范围的表现为钢轨和轨枕垂向反向振动，波磨通过频率与该轨道的160～300 Hz共振频率相近. 弹性短轨枕轨道特定波长波磨萌生主要与其轨道垂向固有特性相关，其波磨特征为频率固定型，波磨波长随车辆运行速度变化而变化.      

高速铁路曲线外轨超高智能调节

当列车高速通过曲线时,由于离心力和向心力的作用,当列车通过曲线时,固定的外轨超高不仅对列车运行速度有很大的限制,也增加了轮轨磨损,威胁到行车安全。对列车通过曲线时车体受力进行了分析,结合铁路运输设备的特点,提出了铁路曲线外轨超高智能调节方法。     

提速道岔辙叉翼轨的加高值方案优化

为研究固定辙叉结构不平顺对列车过岔动力特性的影响,基于岔区轮轨系统动力学及轮轨接触关系理论,以12号提速道岔固定辙叉为例,分别建立了翼轨不同加高设计方案下的辙叉模型以及CRH2型车车辆模型,在此基础上,深入分析了翼轨加高设计对列车过岔动力特性、过岔速度以及行车平稳性的影响规律. 结果表明:列车过岔时,随着翼轨向外弯折,其轮轨接触区域开始外移,并由此造成辙叉区轮对质心垂向位置的降低;通过设置合理的翼轨加高值,可有效降低辙叉区轨道的竖向结构不平顺,进而抑制轮对质心垂向位置的降低,提高列车过岔的平稳性及旅客乘车舒适度;固定辙叉翼轨加高设计,可有效改善列车直向过岔动力特性,但对侧向过岔效果有限;当加高值设置为3 mm时,翼轨加高优化的效果最佳,与无加高设计相比,加高后列车直向过岔第一轮对横向和垂向轮轨力最大幅值分别降低了45.8%和30.3%,车体横向及垂向加速度则分别降低了42.2%和26.1%;随着列车运行速度的提高,过岔时的轮轨动力响应也开始逐渐加剧,合理的翼轨加高设计将有利于提高列车的过岔速度. 研究成果可为我国铁路线路道岔固定辙叉的结构优化设计提供理论参考.      

高速铁路钢轨擦伤形成影响因素

基于ANSYS显式动力分析建立了三维瞬态轮轨接触力-热耦合有限元模型,考虑了温度对热-弹塑性材料参数的影响;以初始温度30℃、轴重16 t、初始速度300 km·h^-1、滑滚比30%工况为例,研究了车轮在经过钢轨典型断面前、中、后3个时刻下钢轨踏面的接触压力、有效塑性应变、温度分布及其变化特征;在此基础上,进一步分析了列车轴重、钢轨踏面状态、列车牵引和制动状态对钢轨踏面最大温升与最大接触压力的影响,并基于钢轨马氏体白蚀层的形成机制讨论了钢轨擦伤的形成机理。研究结果表明：在本文计算工况下,钢轨踏面最大接触压力为1 186.43 MPa,出现在接触区中心位置,车轮通过后钢轨内部存在部分残余热应力和机械应力,钢轨最大有效塑性应变为0.028 2,最大温升为554.55℃;随着列车轴重从12 t增大至16 t,钢轨最大温升由339.89℃增大至402.79℃;钢轨踏面摩擦因数由0.2增大至0.6时,钢轨最大温升由230.93℃增大至519.25℃;滑滚比由10%增大至40%时,车轮制动和牵引引起的钢轨最大温升分别由264.52℃和362.10℃增大至700.46℃和819...     

动车组抗侧滚扭杆载荷特性

为获得抗侧滚扭杆在动车组运行时所受载荷的变化情况,结合陀螺仪和速度信号,研究了抗侧滚扭杆载荷随列车运行速度、曲线半径和曲线超高的变化规律;统计了不同速度级下抗侧滚扭杆载荷最值,并编制测试载荷谱、趋势载荷谱和动态载荷谱,计算趋势载荷与动态载荷在整个测试载荷中贡献的损伤比. 研究结果表明:直线工况下,抗侧滚扭杆动态载荷幅值随列车运行速度的增加而增加,当运行速度由250 km/h增大到350 km/h时,抗侧滚扭杆载荷幅值最大值增大了30%;在一定的过超高条件下,抗侧滚扭杆趋势载荷幅值随曲线半径减小而减小,240 km/h运行速度下最大载荷幅值由6.61 kN减小为3.54 kN;在曲线半径一定的条件下,抗侧滚扭杆趋势载荷幅值随曲线超高的增大而增大,240 km/h运行速度下最大载荷幅值由3.36 kN增大为5.80 kN.      

三维弹塑性轮轨滑动接触热机耦合分析

为提高轮轨滑动接触热响应分析的准确性,基于Johnson-Cook材料模型,充分考虑含摩擦因数在内多种材料属性的温度相关性、3种热传递方式和轮轨实际廓形,建立了全比例三维弹塑性轮轨滑动接触有限元模型,采用完全耦合法对滑动接触状态下的轮轨进行热机耦合分析;研究了车轮以1 m·s-1速度沿钢轨滑行0.1 s时的轮轨温度场和应力场分布特性,分析了轴重、相对滑动速度对轮轨接触区温度场的影响,得到了热影响层深度、热影响层宽度、轮轨表层温度随轴重、相对滑动速度的变化关系。分析结果表明:轮轨最大等效应力发生在次表层接触斑中心处,车轮表层最高温度发生在接触斑后半部分中心处,车轮表层最高温度为848 ℃,钢轨表层最高温度为768 ℃,钢轨表层最高温度低于车轮表层最高温度;轮轨热影响层很薄,车轮热影响层深度约为4.22 mm,钢轨热影响层深度约为3 mm;轮轨热影响层深度随轴重增大无明显变化,而宽度随轴重的增大而增大,轮轨热影响层深度随相对滑动速度的增大而减小,而宽度随相对滑动速度增大无明显变化,轮轨表层温度随轴重和相对滑动速度的增大而增大,且相对滑动速度对轮轨热响应影响更大。全比例三维弹塑性轮轨滑动接触有限元模型及热机完全耦合法能够更加准确地预测轮轨滑动接触热响应,对合理开展轮轨热损伤和热疲劳研究具有重要意义。